【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 進(jìn)行功能擴(kuò)展 , 提供其它服務(wù)功能 , 如車輛跟蹤、信息查詢、出行路線 規(guī)劃等。在日本超過(guò) 60%的新車出廠時(shí)就已安裝了車輛導(dǎo)航系統(tǒng) , 可以預(yù)見 , 隨著更多汽車企業(yè)的介入 ,導(dǎo)航產(chǎn)品市場(chǎng)將逐漸成熟 , 導(dǎo)航產(chǎn)品前景廣闊 , 與 GPS相關(guān)的其它服務(wù)功能正在悄然興起 , 基于 GPS的收費(fèi)系統(tǒng)與 GPS 服務(wù)產(chǎn)品共同開發(fā)將更能調(diào)動(dòng)道路使用者的積極性。 5. 基于 GPS 的不停車電子收費(fèi)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn) 基于 GPS的不停車電子收費(fèi)技術(shù)是利用 GPS及 GSM，通過(guò)與車載裝 置 OBU的通信，進(jìn)行不停車收費(fèi)。 它的特點(diǎn)如下： 1） GPS 電子收費(fèi)系統(tǒng)可以將路旁設(shè)備降低到很少，無(wú)需龍門架，不會(huì)因?yàn)榘惭b龍門架而影 響市容美觀和道路交通，更適合于城市道路有效空間的利用。同時(shí)降低了設(shè)備的投資，在地理位置受限制的地方，這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)更為明顯。 2）提供靈活的收費(fèi)區(qū)域定義和靈活的費(fèi)用支付。 DSRC 收費(fèi)技術(shù)在土地使用模式發(fā)生變化、收費(fèi)區(qū)域需要改變時(shí)，克服傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施改變存在比較大的困難。而 GPS青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 12 通過(guò)改變虛擬收費(fèi)點(diǎn)的定義，非常容易實(shí)現(xiàn)。 3）車載裝置可由市場(chǎng)直接提供， GPRS／ GSM 以及 GPS 技術(shù)規(guī)格己標(biāo)準(zhǔn)化，很多廠商具有生產(chǎn)制造能力，系統(tǒng)供應(yīng)商較難壟斷車載設(shè)備市場(chǎng)，故很容易跨平臺(tái)或系統(tǒng)使用。 4）車載裝置不僅是用作支付收費(fèi) 道路通行費(fèi)的工具，它只要載人相關(guān)的應(yīng)用軟體，即可產(chǎn)生多用途，如：車載導(dǎo)航，車隊(duì)管理，移動(dòng)商務(wù)，車輛保全，交通信息等。 5）車載裝置易擴(kuò)展為移動(dòng)商務(wù)基礎(chǔ)平臺(tái)的終端設(shè)備，并衍生其它商機(jī)。 6）具有長(zhǎng)距離通信的優(yōu)點(diǎn)，收費(fèi)機(jī)制較不受空間限制，容易實(shí)時(shí)地在整個(gè)區(qū)域內(nèi)按里程收費(fèi)及實(shí)施匝道收費(fèi)，具備收費(fèi)策略調(diào)整彈性。 同時(shí)基于 GPS 的不停車收費(fèi)技術(shù)存在以下不足： 1）用戶的 OBU 成本高，如果由此造成用戶的數(shù)量減少，可能影響系統(tǒng)的有效運(yùn)行。 2）車載電子地圖的更新復(fù)雜。 3）如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)得不合理，將會(huì)涉及到用戶的 隱私問(wèn)題，這是很多國(guó)家暫時(shí)不考慮這種方式的一個(gè)原因。 4）在技術(shù)上，相對(duì)于 DSRC 電子收費(fèi)技術(shù)要新。 GPS 技術(shù)是成熟的，但應(yīng)用在不停車收費(fèi)方面比較少。在城市道路中 GPS 定位信號(hào)容易受到建筑物的阻擋，影響車輛的定位，需要輔助系統(tǒng)支持。 5） GPS 電子收費(fèi)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)需要配套法規(guī)、政策和嚴(yán)厲的懲罰制度，特別是針對(duì)那些“違規(guī)車輛”以及故意損壞車載裝置的行為。 DSRC、 ANPR 和基于 GPS 的電子收費(fèi)技術(shù)的性能比較及分析 DSRC 收費(fèi)技術(shù)、 ANPR 收費(fèi)技術(shù)及 VPS 收費(fèi)技術(shù)，這 3 種電子收費(fèi)技術(shù)都各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。下面將從路側(cè)設(shè)施成本、車載裝置成本、技術(shù)成熟性、收費(fèi)準(zhǔn)確率、按車型收費(fèi)、按里程或滯留收費(fèi)、電磁干擾、景觀影響、天氣影響、外埠車輛收費(fèi)、功能擴(kuò)展、兼容性和可維護(hù)性等方面來(lái)比較，見表 11。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 13 表 11 三種收費(fèi)技術(shù)的性能比較 特性指標(biāo) DRSC收費(fèi)技術(shù) ANPR收費(fèi)技術(shù) GPS收費(fèi)技術(shù) 路側(cè)設(shè)備成本 高 較低 不需要 車載裝置成本 較低（約 500元） 不需要 高（約 5000元） 技術(shù)成熟性 成熟 比較成熟 不成熟 收費(fèi)準(zhǔn)確率 高 一般 高 按車型收費(fèi) 好 差 好 按里程、滯留 收費(fèi) 一般 好 好 電磁干擾 有 無(wú) 有 景觀影響 有 有 無(wú) 天氣影響 無(wú) 嚴(yán)重 無(wú) 運(yùn)營(yíng)管理 簡(jiǎn)單 復(fù)雜（不能完成現(xiàn)場(chǎng)扣款） 簡(jiǎn)單 外埠車輛收費(fèi) 方便 不方便 比較方便 功能擴(kuò)展 寬 窄 寬 兼容性 較差 一般 好 可維護(hù)性 較差 一般 好 DSRC 電子收費(fèi)技術(shù)和基于 GPS 的不停車收費(fèi)技術(shù)主要應(yīng)用于公路收費(fèi)，而 ANPR電子收費(fèi)技術(shù)主要用于城市擁擠收費(fèi)。由以上 3種收費(fèi)技術(shù)的原理及技術(shù)性能比較分析可知： 1） ANPR 電子收費(fèi)技術(shù)不成熟、且車牌識(shí)別精度不高，是制約這種技術(shù)發(fā)展的最大障礙 。 2） DSRC 電子收費(fèi)技術(shù)成熟、且廣泛使用，但需要高額費(fèi)用來(lái)建設(shè)、維護(hù)路邊設(shè)備。 3） 基于 GPS 的不停車收費(fèi)技術(shù)比較新、且車載裝置投人較高，但其靈活的收費(fèi)區(qū)域定義和費(fèi)用支付方式及毋需建設(shè)龍門架等路邊設(shè)備已受到全球的關(guān)注。 4）對(duì)一個(gè)較大范圍的路網(wǎng)進(jìn)行收費(fèi)，基于 GPS 的不停車收費(fèi)技術(shù)則可能較合適。以德國(guó)為例，其實(shí)施的貨車收費(fèi)系統(tǒng)將按其行駛里程與重量來(lái)計(jì)算應(yīng)繳的道路通行青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 14 費(fèi)，由于其收費(fèi)范圍較大，收費(fèi)點(diǎn)分布較廣，采用 DSRC 電子收費(fèi)技術(shù)的難度較大，費(fèi)用也高， VlX3 可能是較好的選擇。對(duì)一條相對(duì)獨(dú)立的收費(fèi) 公路，橋梁或隧道而言，DSRC 電子收費(fèi)技術(shù)可能是最佳選擇，它用在類似新加坡的較小范圍且單一、集中的市區(qū)道路收費(fèi)也很合適。 5）由于收費(fèi)分區(qū)與計(jì)價(jià)方式復(fù)雜，這類系統(tǒng)通常必須具備一套全國(guó)性或區(qū)域性的收費(fèi)系統(tǒng)。再進(jìn)一步設(shè)想，對(duì)于一個(gè)收費(fèi)區(qū)的不同道路按不同道路的等級(jí)實(shí)施差別費(fèi)率時(shí)，基于 GPS 的不停車收費(fèi)技術(shù)則更具有優(yōu)勢(shì)。 本文研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu) 基于 GPS 的不停車收費(fèi)技術(shù)代表著未來(lái)道路收費(fèi)的發(fā)展方向，精確的地圖匹配決定該收費(fèi)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)成功收費(fèi)。本文概述了各種常用的地圖匹配算法，并就各種地圖匹配算法進(jìn)行系統(tǒng)的分 析和對(duì)比，在此理論基礎(chǔ)上，提出基于 GPS 的不停車收費(fèi)系統(tǒng)的地圖匹配算法，本文以自駕車從黃島到濟(jì)南為例，對(duì)收費(fèi)用地圖中的關(guān)鍵點(diǎn)即收費(fèi)點(diǎn)進(jìn)行定義，并提出了一種專門用于收費(fèi)的地圖匹配算法。 具體內(nèi)容如下： 1. 基于 GPS 的不停車收費(fèi)系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)概述，并就各種 ETC 技術(shù)對(duì)比分析。 2. 系統(tǒng)的提出各種地圖地圖匹配技術(shù)。 3. 以黃島前往濟(jì)南為例，對(duì)基于 GPS 地圖進(jìn)行重新 定義，并給出了新的地圖匹配算法。 4總結(jié)。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 地圖匹配技術(shù) 15 2 地圖匹配技術(shù) 地圖匹配的基本原理 將用導(dǎo)航定位方法 得到的車輛位置或行駛軌跡與車載的電子地圖道路數(shù)據(jù)相比較、匹配，從而找到車輛所在的道路，并且顯示出車輛的實(shí)時(shí)位置的軟件修正技術(shù)叫地圖匹配（ Map Matching， MM）。地圖匹配過(guò)程可分為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的過(guò)程 : 1）尋找車輛當(dāng)前行駛的道路； 2）將當(dāng)前定位點(diǎn)匹配到車輛行駛的道路上。 地圖匹配的兩個(gè)條件是高精度的數(shù)字地圖和車輛在路網(wǎng)中行駛。如果條件成立，就可以把定位數(shù)據(jù)和車輛運(yùn)行軌跡同數(shù)字化地圖所提供的道路位置信息相比較，通過(guò)適當(dāng)?shù)钠ヅ溥^(guò)程確定出車輛最可能的行駛路段以及車輛在該路段中的最大可能位置。反之，則地圖 匹配將產(chǎn)生錯(cuò)誤的位置輸出，并可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能的嚴(yán)重下降。一般認(rèn)為用于匹配的數(shù)字地圖誤差不應(yīng)超過(guò) 15m。由于陸地車輛在除了進(jìn)入停車場(chǎng)等之外的決大多數(shù)時(shí)間都位于道路網(wǎng)絡(luò)中，因此使用地圖匹配技術(shù)的條件是滿足的。 在圖 21中，點(diǎn) A、 B、 C都是 GPS觀測(cè)點(diǎn)，顯然這些觀測(cè)點(diǎn)都沒有準(zhǔn)確的定位在道路上，地圖匹配的任務(wù)就是通過(guò)一定的方法將這些點(diǎn)校正到道路的中心線上。現(xiàn)在地圖匹配的算法有很多，但根據(jù)利用信息不同，大體上可以歸結(jié)為兩大類： 1） 基于幾何信息的地圖匹配方法； 2） 基于拓?fù)潢P(guān)系的地圖匹配方法。 基于幾何信息的地圖匹配方法有 三類：點(diǎn)到點(diǎn)的匹配；點(diǎn)到線的匹配；線到線的匹配。前兩種可視為搜索問(wèn)題，最后一種可視為統(tǒng)計(jì)估計(jì)問(wèn)題。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 地圖匹配技術(shù) 16 圖 21 地圖匹配示意圖 1） 點(diǎn)到點(diǎn)的匹配 點(diǎn)到點(diǎn)的匹配就是搜索地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的節(jié)點(diǎn)、形狀點(diǎn)或自定義的點(diǎn)距離 GPS觀測(cè)點(diǎn)最近的點(diǎn)作為匹配點(diǎn)。該方法簡(jiǎn)單易行，實(shí)現(xiàn)快速，但是匹配結(jié)果與路段上待匹配的點(diǎn)集關(guān)系密切，待匹配的點(diǎn)越多，匹配效果越好。匹配形式如圖 22顯示。 圖 22 點(diǎn)到點(diǎn)的匹配 在圖 42中， A A A A A B B B3都是 GPS觀測(cè)點(diǎn) P的待匹配點(diǎn)。從圖中可以看出，距離 PA3是 最短的，按照點(diǎn)到點(diǎn)匹配方法，應(yīng)該將車輛匹配到 A3點(diǎn)，但從圖中直觀看出， P點(diǎn)匹配到線段 B上似乎更為合理些，因?yàn)?P更靠近線段 B。缺點(diǎn)在于匹配點(diǎn)少時(shí)匹配結(jié)果不準(zhǔn)確。 2） 點(diǎn)到線段的匹配 點(diǎn)到線段的匹配就是搜索所有可能的線段，以 GPS觀測(cè)點(diǎn)到線段距離為判斷依據(jù)，觀測(cè)點(diǎn)到條線段距離最近的那條線段作為匹配路段，觀測(cè)點(diǎn)到匹配路段的投影點(diǎn)即為匹配點(diǎn)。這種方法同樣比較簡(jiǎn)單，也很直觀，但該方法得到的結(jié)果的不足在于匹配結(jié)果會(huì)出現(xiàn)來(lái)回?cái)[動(dòng)的情況，當(dāng) GPS觀測(cè)點(diǎn)距離多條路段的距離相等時(shí)就無(wú)法進(jìn)行路段匹配了，匹配形式如圖 23所示。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 地圖匹配技術(shù) 17 圖 23點(diǎn)到線段的匹配 在圖 43中， P P P P4是連續(xù)的 GPS觀測(cè)點(diǎn)，它們的匹配結(jié)果是這樣的：（ P1— B1），（ P2— A1），（ P3— A2或 P3— B2），（ P4— B3） ?？梢钥闯觯ヅ浣Y(jié)果出現(xiàn)了在線段 A、 B間搖擺的情況，還有觀測(cè)點(diǎn) P3無(wú)法確定匹配點(diǎn)。 點(diǎn)到點(diǎn)的匹配、點(diǎn)到線的匹配都是僅僅利用了當(dāng)前觀測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行匹配，沒有充分利用歷史和未來(lái)的觀測(cè)點(diǎn)位置，有很大的局限性。 3） 線到線的匹配 線到線的匹配就是將一系列 GPS觀測(cè)點(diǎn)擬合到道路網(wǎng)相應(yīng)的路段中，擬合的標(biāo)準(zhǔn)就是觀測(cè)點(diǎn)形成的折線到路段之間的距離 ，距離最短的為匹配路段。連線間的距離可以有很多種定義的方式，如定義兩折線 X、 Y的距離為取它們間最近點(diǎn)的距離，即yxYX YyXx ??? ?? ,m in 。匹配的示意圖如圖 24（ a）所示。 圖 24 線到線的匹配（ a） 在圖 24（ a）中， GPS觀測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了一個(gè)離群點(diǎn) P，按照上述的匹配方法， GPS觀測(cè)點(diǎn)被匹配到路段 B上，這顯然不合理，合理的匹配應(yīng)該被匹配到線段 A上。兩折線間青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 地圖匹配技術(shù) 18 距離的定義還可以如下 dttytxYX ? ??? 10)()( ，按照這樣距離計(jì)算方式同樣也會(huì)出現(xiàn)像圖 24（ b）那樣的錯(cuò)誤匹 配了。 圖 24（ b） 線到線的匹配 在圖 24（ b）中，待匹配路段 A的坐標(biāo)為（ 6t， 6），待匹配路段 B的坐標(biāo)為（ 3，6t）， GPS觀測(cè)點(diǎn)連線的線段 P的坐標(biāo)為（ 6t， 3）。按照上述距離計(jì)算方式， 3??AP ，至于 BP? 的計(jì)算，如果距離定義有正負(fù)定義（定義線一側(cè)的點(diǎn)到線的距離為正，則另一側(cè)的點(diǎn)到線的距離就為負(fù)），則 0??BP ；如果距離定義是取絕對(duì)值，則通過(guò)計(jì)算可得 ??BP 。按照匹配方法，就要選擇 B為匹配路段了，但從圖上直觀的看，選擇 A作為匹配路段似乎更為合理。在圖中， P的長(zhǎng)度為 6，如果要求 APBP ??? 以使得 GPS觀測(cè)點(diǎn)正確的被匹配到 A上，通過(guò)計(jì)算， P的長(zhǎng)度至少是 15，這顯然延遲太大，達(dá)不到實(shí)時(shí)校正車輛位置并正確顯示的要求。 上述的三種地圖匹配方法相對(duì)來(lái)說(shuō)都是計(jì)算簡(jiǎn)單，僅利用了數(shù)字地圖的單一信息，不能保證任何時(shí)候都能得到正確的匹配結(jié)果，無(wú)法滿足真正地圖匹配的要求，因此根據(jù)這三種基本地圖匹配方法衍生出來(lái)了許多比較實(shí)用的地圖匹配算法。 常用地圖匹配算法 地圖匹配的常用算法有很多，比如最短距離算法、基于拓?fù)潢P(guān)系的算法、概率統(tǒng)計(jì)算法、模糊邏輯算法、相關(guān)性算 法 等等。下面對(duì)其中的幾種進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 地圖匹配技術(shù) 19 最短距離算法 最短距離法是一種基礎(chǔ)的匹配方法。該方法根據(jù)道路屬性，預(yù)先設(shè)置一個(gè)匹配閾值，在數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有或部分路段中，計(jì)算當(dāng)前獲取的 GPS數(shù)據(jù)與各道路路段之間的距離以及 GPS數(shù)據(jù)在該道路路段上的最短距離點(diǎn)，將在閾值范圍內(nèi)各路段的匹配距離進(jìn)行比較，得到一條距離最短的路段，則該道路為 GPS點(diǎn)的匹配路段，該最短距離點(diǎn)為 GPS點(diǎn)的 匹配點(diǎn)。 最短距離法簡(jiǎn)單易行，能在很大程度上消除地圖匹配中各種誤差產(chǎn)生的影響，但它沒有考慮 GPS數(shù)據(jù)接收中的各種情況及道路的地形特征，通常作為一種基本方法，與其他匹配方法結(jié)合來(lái)得到好的效果。 概率統(tǒng)計(jì)算法 基于概率統(tǒng)計(jì)的地圖匹配同樣是一種基礎(chǔ)的匹配方法。概率統(tǒng)計(jì)算